Interview FaradaIC Elektrochemische Gassensoren direkt auf dem Mikrochip

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Die MECS-Technik (mikroelektrochemische Gassensoren) ermöglicht eine präzise und kostengünstige Messung von Gasen. Dr. Ryan Guterman und Rainer Ihra von FaradaIC haben es geschafft, die MECS-Technik direkt auf Mikrochips zu integrieren.

Seit den 1960er Jahren wird die elektrochemische Gasmessung genutzt, um Gase und ihre Spurenelemente präzise zu erfassen und zu messen. Das Grundprinzip eines elektrochemischen Gassensors beruht auf der Redoxreaktion eines Zielgases an einer Elektrode. Wenn das Gas mit der Arbeitselektrode in Kontakt kommt, tritt eine Reduktions- oder Oxidationsreaktion auf, die einen Strom erzeugt. Die Größe dieses Stroms ist proportional zur Konzentration des gemessenen Gases. Ein Verstärker wandelt den Strom in ein messbares Signal um.

Bisher wurden die Sensoren jedoch noch nie auf Mikrochips integriert. Der Chemiker Dr. Ryan Guterman hat in 15 Jahren intensiver Forschung ein spezielles Material für den Elektrolyten entwickelt, das es ermöglicht, die Sensoren auf Mikrochips zu platzieren. Dadurch wird das Messsystem wesentlich kleiner und kostengünstiger. Die ELEKTRONIKPRAXIS sprach mit Dr. Guterman, Gründer und Geschäftsführer von FaradaIC, und Rainer Ihra, Leiter Business Development, über elektrochemische Gassensoren. Das Start-up-Unternehmen FaradaIC ist auf der Suche nach Anwendungen mit hohen Stückzahlen für Sensoren auf Basis der MECS-Technik.

Herr Dr. Guterman, können Sie bitte erklären, was mikroelektrochemische Sensoren sind und wie sie sich zu anderen Sensortechniken abgrenzen!

Wir haben die MECS-Technik entwickelt, um elektrochemische Gassensoren direkt mit einem Mikrochip zu verbinden. Bisher war die Miniaturisierung und Kostensenkung bei hohen Stückzahlen den MOX-Sensoren in der Gasmesstechnik vorbehalten. Unsere mikroelektrochemischen Sensoren können Gaskonzentrationen sehr selektiv bestimmen und haben zudem den geringsten Stromverbrauch von wenigen Nanoampere. Die MECS-Technik ist absolut bleifrei und kann daher Gassensoren in vielen Anwendungen ersetzen. Damit werden auch die REACH-RoHS-Richtlinien eingehalten.

Nach welchem Prinzip messen Ihre Sensoren mit der MECS-Technik?

Unsere Sensoren mit MECS-Technik messen genauso wie elektrochemische Sensoren, jedoch mit einigen wichtigen Unterschieden. Der Elektrolyt, den wir ebenfalls entwickelt haben, besteht aus einem Feststoff und kann daher nicht austrocknen. Er hält höheren Temperaturen bis zu 85 °C im Dauerbetrieb stand und kann beliebig lange gelagert werden. Außerdem ist dieser Elektrolyt vollständig kompatibel mit MEMS-Fertigungstechniken. Damit ist MECS eine sehr skalierbare Technik.

Welche Probleme und Herausforderungen gab es während der Entwicklung der MECS-Technik?

Die Hauptaufgabe bestand darin, einen geeigneten chemischen Elektrolyten zu entwickeln. Vor der Gründung von FaradaIC habe ich bereits mehr als zehn Jahre an diesen Materialien geforscht und einen soliden Elektrolyt entwickelt. Dieser weist alle elektrischen Eigenschaften anderer Materialien auf und kann gleichzeitig mit den Massenherstellungsprozessen in der Halbleiterindustrie verarbeitet werden.

Herr Ihra, für welche Anwendungen eignen sich die MECS-Sensoren besonders gut und warum?

Unsere Sensoren mit MECS-Technik können grundsätzlich überall eingesetzt werden, wo heute elektrochemische Sensoren verwendet werden. Besonders bei kleinen, tragbaren Geräten ist die lange Lagerfähigkeit von großem Vorteil, da die Serviceintervalle für den regelmäßigen Austausch der Sensoren deutlich verlängert werden können.

In IIoT-Umgebungen ergeben sich neue Anwendungen, die auch den erweiterten Temperaturbereich von 85 °C umfassen. Um den Kostenvorteil vollständig zu nutzen, suchen wir nach Anwendungen mit hohen Stückzahlen. Beispiele hierfür sind die Gasüberwachung von unter Schutzatmosphäre verpackten Lebensmitteln oder kleine, tragbare Geräte zur Atemgasanalyse.

Lassen sich neben Gasen weitere chemische Verbindungen mit dem Sensor messen?

Wir können nicht nur Gase, sondern auch die Luftfeuchtigkeit bestimmen und die Konzentration von in Flüssigkeiten gelösten Gasen ermitteln.

Wie lässt sich der Sensor mit einem Mikrocontroller verbinden und lassen sich die MECS-Sensoren auch zu einem Sensorsystem verbinden? Beispielsweise über Bluetooth?

Mit unserem Evaluierungskit lassen sich die gemessenen Sensorwerte direkt über eine integrierte USB-Schnittstelle an einen Rechner übertragen. Die Messwerte werden über das von uns bereitgestellte Webinterface grafisch dargestellt. Auf dieser Basis zeigen wir das Konzept mit einer Bluetooth Schnittstelle auf einem neuen BLE-Chip von InPlay.

Die Übertragung der Messwerte erfolgt drahtlos. Unser Partner Metirionic entwickelte das Kommunikationsprotokoll für den Endanwender und nutzt dabei die speziellen HF-Funktionen und Kommunikationsstacks des BLE-Chips. Die Technik liefert neben den Messwerten auch die exakte Position des jeweiligen Sensors, was entscheidende Vorteile in der Logistik von Lebensmitteln bietet.

Wie genau misst der Sensor und wie lange ist seine Lebensdauer?

Die Genauigkeit des Sensors hängt von der Messzeit und den Messzyklen ab. Die Auflösung beträgt 12 Bit. Wir bieten einen präzisen Sensor mit einem Messbereich von 0 bis 5 Vol.-Prozent O₂ für die Lebensmittelindustrie an. Der Sensor hat eine unbegrenzte Lagerzeit und kann mindestens 100.000 Messzyklen durchführen. In Großverpackungen der Lebensmittelindustrie wird typischerweise 3 bis 20 Mal (3 bis 20 Messzyklen) pro Tag gemessen.

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